同濟大學機械與能源工程學院 秦朝葵 李 鵬

0 前言

蓄熱式加熱爐利用高溫空氣燃燒技術，使用蓄熱式燒嘴(將傳統(tǒng)燒嘴和蓄熱室結合為一個整體)。一方面排出高溫的燃燒產物并進行蓄熱，大量回收余熱，另一方面將助燃空氣預熱至高溫后組織燃燒。燒嘴一般成對布置，當其中一個燒嘴進行燃燒時，另一個燒嘴進行排煙，一段時間過后進行換向，原來燃燒的燒嘴開始排煙，原來排煙的燒嘴開始組織燃燒，兩種狀態(tài)交替進行?？梢詫崿F(xiàn)高溫低氧燃燒，與傳統(tǒng)加熱爐相比，它具有高余熱回收、高溫空氣預熱以及低氮氧化物排放等優(yōu)點。

隨著經濟發(fā)展、能耗激增，由燃料燃燒引發(fā)的環(huán)境污染日趨嚴重，蓄熱式加熱爐具有非常廣闊的應用前景。

換向時間是蓄熱式加熱爐的一個重要操作參數(shù)，它在很大程度上決定著蓄熱室的溫度效率和熱效率，同時對加熱爐的爐溫波動和火焰的燃燒狀況也有很大的影響。所以在生產過程中，選取合適的換向時間直接影響著蓄熱式加熱爐的熱效率及其加熱質量。

1 換向時間的研究現(xiàn)狀

李偉等用數(shù)值模擬的方法對蜂窩陶瓷蓄熱體的三維模型進行了周期性的動態(tài)模擬，模擬結果顯示由于蓄熱量和放熱量的不平衡，蓄熱體從冷態(tài)啟動到趨于穩(wěn)定工況需要經過多個傳熱周期才能實現(xiàn)。相應地，排煙溫度、預熱空氣溫度和壓力損失也都逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。蓄熱體存在一個最佳的換向時間使蓄熱體的熱效率最高，但是蓄熱體的非穩(wěn)態(tài)最佳換向時間遠大于穩(wěn)態(tài)最佳換向時間，只有在穩(wěn)定狀態(tài)下，才能比較蓄熱體的傳熱特性。

孟祥龍等實驗研究了換向時間對預熱空氣溫度波動和排煙溫度波動的影響，發(fā)現(xiàn)：與空氣(或煙氣)換熱時，在換向閥剛切換時傳熱速度是最快的，之后換熱速度變慢直至下一次切換前一刻，換熱速度降到最低。換向時間過長，空氣預熱溫度和排煙溫度波動變大，說明隨著換向時間的延長，空氣預熱溫度是逐漸下降而排煙溫度是逐漸升高。對于工程應用來講，燃料消耗會增大、排煙損失會增大。因此在條件允許情況下應盡量縮短換向時間，但實際工程應用并不能一味地縮短換向時間。對于蓄熱式廢氣焚燒爐，頻繁換向勢必增加換向過程中廢氣竄入排煙道，造成排放不達標；頻繁的換向也使切換閥的壽命縮短，因此切換時間的選取需兼顧各方面的實際要求。

王皆騰等對換向時間對蓄熱體換熱的影響進行了實驗研究。在正常運行過程中，每當換向時，總有某一側蓄熱體與換向閥之間管路中的空氣(總體積為V)不能進入蓄熱體而排放到大氣中，另一側煙氣回流并將熱量帶回爐膛。為了計及這個因素，他引入供風效率ηa的概念，即在一個周期內，能夠進入蓄熱體的風量占總供風量Q的比例。圖1為供風效率和換向時間的關系，從圖1可見換向時間越短，供風效率越低，但熱回收率越高。實際上，熱回收率高是一個假象，因為存在供風效率的緣故。必須在考慮供風效率的基礎上，對熱回收率進行修正。實際熱回收率ηreal應是上述幾方面影響的函數(shù)，如圖1所示，實際熱回收率的最高值對應的最佳換向時間才具有參考意義。

圖1 供風效率和換向時間的關系

劉慧在考慮了蓄熱室空隙體積對換向時間影響的基礎上，研究了在保持較高余熱回收效率的情況下如何尋求最佳換向時間。首先整理了換向時間與余熱回收效率之間的關系，并建立了一個數(shù)學關系式，對關系式進行求導找出了合理的換向時間，得到了最高余溫回收率。隨后再對蓄熱小球的透熱時間利用fluent軟件進行仿真模擬，得出蓄熱小球的透熱時間。最后將前兩步計算的換向時間進行比較，得出最佳換向時間。

對于換向時間對蓄熱式加熱爐的影響，前人做了比較基礎的研究，確定存在最佳的換向時間，研究了換向時間影響著加熱爐的熱效率、鋼坯的加熱質量、排煙溫度及預熱空氣溫度、換向閥的壽命等，但是前人所進行的研究結論都具有一些局限性，或者進行了大量的簡化，只適合一些特殊的、小范圍的工況，并不適用于實際生產的工況。本文將在實際的生產工況下進行熱態(tài)實驗，研究換向時間對蓄熱式加熱爐的影響，首先確定換向時間是否對加熱爐產生重大影響，然后確定換向時間對加熱爐的影響具體有多大。

2 實驗介紹

2.1 實驗裝置

實驗室搭建了小型蓄熱式加熱爐，對鋼坯進行加熱，研究蓄熱式加熱爐在額定生產工況下的性能。加熱爐包括以下幾個部分：供風系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、換向控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、物料傳動系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，圖2為試驗臺的實體照片。

圖2 小型蓄熱式加熱爐試驗臺

爐體長4 m、寬1.2 m、高1.4 m，搭配兩個額定功率300 kW的蓄熱式燒嘴，燒嘴沿加熱爐的縱向布置。爐墻和爐頂保溫材料為高溫隔熱纖維模塊加硅酸鋁棉纖維毯，厚 300 mm。爐底材料為耐火水泥，厚 500 mm。供風系統(tǒng)使用的鼓風機流量為1000 m3/h、全壓為4.5 kPa，使用比托管陣測流量，管道上有蝶閥可調節(jié)流量。排煙系統(tǒng)分為兩個部分，第一部分為通過蓄熱式燒嘴的低溫煙氣，此部分煙氣占總煙氣量的絕大部分，其余熱已經蓄熱體極限回收，溫度控制在200 ℃以內，使用的排煙風機流量為2 000 m3/h、全壓為4 kPa；另一部分煙氣從物料進出口逸漏出來，占總煙氣量的一小部分，由于未經余熱回收，這部分煙氣的溫度很高，是限制加熱爐熱效率的主要因素?？刂茡Q向系統(tǒng)由4個氣壓換向閥承擔，并設1個控制箱，可以手動換向或自動換向。燃燒系統(tǒng)由一對蓄熱式燒嘴承擔，將空氣進行高溫預熱后噴入爐膛與燃氣混合，組織燃燒，還配有長明燈和火焰檢測器，防止火焰熄滅。物料傳動系統(tǒng)為導軌式傳動，利用氣缸將鋼坯沿著導軌逐個向前推進。冷卻系統(tǒng)是為了保護燃氣芯管，避免火焰檢測器燒壞等，冷卻風機最大流量為145 m3/h、最大風壓為12 kPa。

2.2 實驗方法

蓄熱式加熱爐的主要影響因素有蓄熱體設計參數(shù)和操作參數(shù)，前者包括蓄熱體的物性參數(shù)和蓄熱體的結構參數(shù)，如蓄熱體的比熱容、密度、導熱系數(shù)、孔道形狀、孔道尺寸、孔道壁厚和蓄熱體長度等；后者包括換向閥的切換時間和蓄熱體內氣體速度等。蓄熱式加熱爐的設計參數(shù)在設計階段就已經選定，操作參數(shù)中的氣體流速需要根據產量和燃燒狀況決定，所以在實際生產中，唯一具有可控性的參數(shù)就是換向時間。在其他參數(shù)均已確定的前提下，最佳換向時間可以使蓄熱式加熱爐處于最佳的工作狀態(tài)，最好地發(fā)揮高溫空氣燃燒技術的優(yōu)勢。

實驗裝置的工作原理圖如圖3所示，分別對蓄熱室的進出口空氣及煙氣的溫度進行測量，同時測量加熱爐的爐膛煙氣溫度和爐膛內工件中心溫度。研究換向時間對預熱空氣溫度、排煙溫度、爐膛溫度和加熱工件溫度等參數(shù)的影響。加熱爐為額定功率300 kW，加熱工件為圓柱狀鋼坯，直徑60 mm，長150 mm，質量為3.3 kg，一共兩排共52個，數(shù)據從點火開始記錄。實驗中，保持燃燒功率不變，只改變換向時間，每個換向時間對應一組試驗。研究不同換向時間對蓄熱式加熱爐熱性能的影響。

圖3 實驗裝置系統(tǒng)原理

3 實驗結果分析

保持燃燒功率不變，讓換向時間在30～90 s之間變化，經過多組實驗，結果顯示：設定為30 s時，換向時間太短，會造成燃燒不充分、冒黑煙及容易熄火等問題；設定為75 s和90 s時，換向時間太長時，預熱空氣溫度降低，難于進行高溫低氧燃燒，而且排煙溫度會變高，容易燒壞排煙風機。結合實際的生產情況，經常使用的換向時間在45～60 s，所以本實驗選取在45 s和60 s的工況下的實驗數(shù)據進行分析比較。

3.1 換向時間對預熱空氣溫度和排煙溫度的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，剛點火時蓄熱室的預熱空氣溫度和排煙溫度每個周期都有較大的升高，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，蓄熱體從冷態(tài)啟動到趨于穩(wěn)定工況需要經過多個傳熱周期才能實現(xiàn)，直到每個周期蓄熱室的預熱空氣溫度和排煙溫度變化曲線接近，可認為達到了周期性穩(wěn)態(tài)。只有在周期性穩(wěn)態(tài)下，才能比較蓄熱式加熱爐的性能。圖4和圖5分別是從實驗結果中篩選出來的典型數(shù)據。

圖4 換向周期為45 s時預熱空氣及排煙溫度

圖5 換向周期為60 s時預熱空氣及排煙溫度

換向周期為45 s，達到周期性穩(wěn)態(tài)時，預熱空氣溫度為 850～960 ℃，溫度波動幅度為 110 ℃，排煙溫度溫度為 40～150 ℃，溫度波動幅度為110 ℃；換向周期為60 s，達到周期性穩(wěn)態(tài)時，預熱空氣溫度為 860～980 ℃，溫度波動幅度為120 ℃，排煙溫度為 40～160 ℃，溫度波動幅度為120 ℃?？梢园l(fā)現(xiàn)，換向時間越長，預熱空氣溫度和排煙溫度的波動幅度越大，但是從45 s到60 s，換向時間增加了33%，預熱空氣溫度和排煙溫度波動只有 9%，可見在正常的換向時間范圍內，換向時間對預熱空氣溫度和排煙溫度的影響很小。

3.2 換向時間對爐膛溫度的影響

沿爐長方向在加熱爐上布置了七個熱電偶，見圖3實驗裝置系統(tǒng)原理圖，測量加熱爐在運行中各個位置上的溫度變化。實驗結果顯示，換向周期分別為45 s和60 s的兩種工況下，爐膛的最高溫度均到達了1 200 ℃以上，各個位置的溫度非常接近，唯一不同之處在于各個位置上溫度波動的幅度不同。爐膛各位置的溫度波動情況見圖6。

圖6 爐膛各位置的溫度波動對比

由圖可知，由于加熱爐的進料口和出料口敞開，容易發(fā)生冷風滲漏及冒火，所以加熱爐的兩端溫度波動幅度最大，越靠近中間溫度波動越小，在爐膛中間溫度幾乎保持不變。換向時間為45 s時。爐膛的平均溫度波動為20 ℃，換向時間為60 s時，爐膛的平均溫度波動為 26 ℃。換向時間越長，爐膛溫度波動的幅度越大，但是對于加熱爐而言，此溫度波動處于非常低的狀態(tài)，爐膛溫度可認為穩(wěn)定。

3.3 換向時間對工件溫度的影響

實驗中的加熱爐的燃燒功率均為300 kW，其他條件保持不變，唯一變化的就是換向時間。在45 s和60 s的換向時間下，工件中心溫度快速上升，在730 ℃附近開始奧氏體化，最后均可以加熱到1200 ℃，可見所搭建的小型蓄熱式加熱爐滿足對工件的熱處理要求，可應用于工業(yè)加熱領域。工件中心溫度的變化曲線如圖7所示。換向時間分別為45s和60 s的情況下，工件中心溫度的上升曲線幾乎完全重合，可見換向時間的改變對工件的加熱過程的影響已經可以忽略。

圖7 工件中心溫度變化曲線

4 結語

換向時間直接影響了預熱空氣溫度，預熱的高溫空氣參與燃燒，進而影響到爐膛內的煙氣溫度，爐膛內煙氣通過對流換熱及輻射等方式向工件傳熱，最后影響到工件溫度。換向時間越長，預熱空氣溫度、排煙溫度及爐膛溫度的波動越大，繼而影響加熱爐的加熱性能，所以換向時間不宜太長。但是在這個過程中，改變換向時間對預熱空氣溫度、排煙溫度、爐膛溫度、工件溫度帶來的影響逐步減小，既改變換向時間對蓄熱式加熱爐的影響并不是很大，在合適的換向時間范圍內，換向時間的變化對工件加熱過程的影響甚至是可以忽略的。較短的換向時間并不能提高蓄熱式加熱爐的性能，考慮到燃燒的穩(wěn)定性，換向閥的壽命等因素的情況下，實際生產中建議換向時間在合適區(qū)間內取較大值。